Que savez-vous de la matière noire ? Selon une nouvelle étude, la matière noire - une substance mystérieuse qui exerce une attraction gravitationnelle mais n'émet pas de rayonnement - pourrait en fait consister en de vastes amas d'anciennes trous noirs, formé au tout début de l'univers.
Cette conclusion est basée sur l'analyse des ondes gravitationnelles causées par deux collisions distantes entre des trous noirs et des étoiles à neutrons.
Les ondes, étiquetées GW190425 et GW190814, ont été détectées en 2019 par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) à Washington et en Louisiane et le Virgo Interferometer près de Pise, en Italie. Des analyses antérieures ont montré qu'elles étaient causées par des collisions entre des trous noirs de 1,7 à 2,6 fois la masse de notre Soleil et une éventuelle étoile à neutrons beaucoup plus petite ou un trou noir beaucoup plus gros. Mais cela ferait de l'un des objets ce que les astrophysiciens appellent un trou noir de masse solaire, qui correspond apparemment à la masse du Soleil. Les trous noirs de masse solaire sont assez mystérieux car ils ne sont pas attendus de l'astrophysique traditionnelle, dans laquelle les explosions d'étoiles ou les supernovae transforment des étoiles plus grandes en trous noirs.
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Ces trous noirs de masse solaire pourraient être des trous noirs "primordiaux" créés lors du Big Bang. Ou ils auraient pu se former plus tard, lorsque les étoiles à neutrons ont été converties en trous noirs, soit après l'absorption des trous noirs primordiaux, soit après l'absorption de certains types putatifs de matière noire.
Premiers trous noirs
Les trous noirs primordiaux, s'ils existent, ont probablement été créés en quantités massives dans la première seconde du Big Bang il y a environ 13,77 milliards d'années. Ils seraient de toutes tailles - le plus petit serait microscopique, et le plus grand serait des dizaines de milliers de fois la masse de notre Soleil.
Les chercheurs voulaient voir s'ils pouvaient faire la différence entre les trous noirs primordiaux et les trous noirs formés à partir d'étoiles à neutrons, les restes scintillants de supernovae laissés après l'explosion de leurs étoiles mères après avoir utilisé tout leur hydrogène dans des réactions de fusion nucléaire.
Les astrophysiciens estiment que les étoiles d'une masse d'environ cinq fois la masse du Soleil s'effondrent, laissant derrière elles une étoile à neutrons faite de matière superdense, avec à peu près la masse de notre Soleil entassée dans une sphère de la taille d'une ville.
Selon de cette théorie, la forte gravité de certaines étoiles à neutrons attirerait en permanence des particules de matière noire. La nouvelle étude suggère qu'éventuellement leur gravité deviendra si grande que l'étoile à neutrons et la matière noire s'effondreront ensemble dans un trou noir.
Une alternative proposée par l'étude est que l'étoile à neutrons aurait pu être attirée et fusionnée avec un petit trou noir primordial, qui s'est ensuite installé au centre de l'étoile à neutrons et s'est nourri de la matière environnante jusqu'à ce qu'il ne reste plus que le trou noir.
Ondes gravitationnelles
Les scientifiques ont estimé que les trous noirs qui se sont transmutés à partir d'étoiles à neutrons suivraient la même distribution de masse que les étoiles à neutrons dont ils sont issus, qui dépend de la taille de leurs étoiles mères. Dans cet esprit, ils ont examiné les données de la cinquantaine de détections d'ondes gravitationnelles effectuées à ce jour et ont découvert que seuls deux – GW50 et GW190425 – étaient associés à des objets de la bonne masse pour être des trous noirs primordiaux.
Les recherches ne sont pas concluantes : il est toujours possible que les deux collisions aient impliqué des étoiles à neutrons de masses détectables ou des trous noirs transmutant à partir d'étoiles à neutrons de ces tailles. Mais les auteurs écrivent que la distribution de masse des étoiles à neutrons, existant vraisemblablement dans l'univers, rend cela peu probable.
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